Lăng kính hoạt động như thế nào? Giải thích về ánh sáng, khúc xạ và tán sắc

Lăng kính hoạt động bằng cách bẻ cong ánh sáng khi nó đi qua kính và vì mỗi màu ánh sáng uốn cong ở một góc hơi khác nhau nên ánh sáng trắng tỏa ra thành một quang phổ đầy đủ có thể nhìn thấy được. Quá trình này bao gồm hai nguyên tắc vật lý quan trọng: sự khúc xạ và sự phân tán . Hiểu được cách hai lực này tương tác sẽ giải thích được mọi thứ, từ cầu vồng trên bầu trời đến các thí nghiệm laser trong phòng thí nghiệm vật lý.

Điều gì xảy ra khi ánh sáng đi vào lăng kính

Khi một tia sáng truyền từ không khí vào thủy tinh thì tốc độ của tia sáng sẽ chậm lại. Thủy tinh có đặc tính quang học cao hơn không khí, nghĩa là ánh sáng di chuyển qua nó với tốc độ thấp hơn. Sự thay đổi tốc độ này làm cho tia sáng bị bẻ cong ở ranh giới giữa hai vật liệu. Sự uốn cong này được gọi là sự khúc xạ .

Mức độ uốn cong được mô tả bởi Định luật Snells, trong đó phát biểu rằng tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ bằng tỉ số tốc độ ánh sáng trong hai môi trường. Trong điều kiện thực tế, ánh sáng bị bẻ cong về phía một đường vuông góc với bề mặt khi đi vào môi trường đậm đặc hơn và bẻ cong ra xa khỏi nó khi thoát ra.

Một lăng kính có hình dạng có ít nhất hai bề mặt phẳng, có góc cạnh. Ánh sáng đi qua một mặt và thoát ra qua một mặt khác. Vì hai bề mặt không song song nên hiện tượng khúc xạ xảy ra khi đi vào không triệt tiêu khi đi ra. Thay vào đó, cả hai sự khúc xạ đều kết hợp lại, bẻ cong ánh sáng hơn nữa theo cùng một hướng.

Tại sao ánh sáng trắng phân chia thành màu sắc

Ánh sáng trắng không phải là một màu duy nhất. Nó là sự pha trộn của tất cả các màu của quang phổ khả kiến, mỗi màu có bước sóng riêng. Ánh sáng tím có bước sóng khoảng 380 đến 450 nanomet, trong khi ánh sáng đỏ nằm ở đầu kia ở khoảng 620 đến 750 nanomet.

Chi tiết quan trọng là thủy tinh làm chậm các bước sóng khác nhau với lượng khác nhau. Các bước sóng ngắn hơn, như màu tím, chậm lại nhiều hơn bên trong thủy tinh và do đó bị bẻ cong mạnh hơn. Những bước sóng dài hơn, như màu đỏ, chậm lại ít hơn và ít bị uốn cong hơn. Sự thay đổi góc uốn này dựa trên bước sóng được gọi là sự phân tán .

Trong một lăng kính thủy tinh điển hình, độ chênh lệch chiết suất giữa ánh sáng tím và ánh sáng đỏ xấp xỉ 0,02 đến 0,05 , tùy thuộc vào loại kính. Sự khác biệt nhỏ đó đủ để phân tán màu sắc thành cầu vồng nhìn thấy được khi ánh sáng thoát ra khỏi lăng kính.

Thứ tự màu sắc trong quang phổ

Các màu sắc luôn xuất hiện theo cùng một trình tự vì chúng luôn bị uốn cong theo một lượng cố định và có thể dự đoán được. Từ ít cong nhất đến cong nhất, thứ tự là:

• màu đỏ
• trái cam
• màu vàng
• màu xanh lá cây
• Màu xanh
• màu chàm
• màu tím

Đây là trình tự tương tự được thấy trong cầu vồng tự nhiên, nơi các giọt nước hoạt động như những lăng kính nhỏ trong khí quyển.

Vai trò của hình dạng lăng kính

Hình dạng tam giác của lăng kính tiêu chuẩn không phải là ngẫu nhiên. Góc ở đỉnh của tam giác, được gọi là góc đỉnh hoặc góc lăng kính, trực tiếp kiểm soát độ lệch tổng cộng mà ánh sáng phải trải qua. Góc đỉnh lớn hơn tạo ra sự tách biệt lớn hơn giữa các màu.

Hầu hết các lăng kính trình diễn đều có góc đỉnh là 60 độ , mang lại sự phân tán mạnh mẽ và dễ dàng nhìn thấy mà không yêu cầu hình học cực đoan. Lăng kính 30 độ làm chệch hướng ánh sáng nhẹ nhàng hơn, trong khi các góc trên 70 độ bắt đầu gây ra hiện tượng mất ánh sáng đáng kể do phản xạ bên trong ở các bề mặt.

Chất liệu của lăng kính cũng có vấn đề. Thủy tinh đá lửa dày đặc có chỉ số khúc xạ cao hơn thủy tinh borosilicate tiêu chuẩn nên phân tán màu sắc mạnh hơn. Đây là lý do tại sao các thiết bị quang học yêu cầu tách màu chính xác lại sử dụng kính có công thức đặc biệt thay vì kính cửa sổ thông thường.

Chỉ số khúc xạ so sánh giữa các màu sắc

Mặc dù sự khác biệt về chiết suất trông nhỏ trên giấy tờ, nhưng chúng tạo ra sự trải màu rõ ràng khi hình học của lăng kính khuếch đại chúng qua mặt thoát.

Lăng kính có thể kết hợp lại ánh sáng thành màu trắng không

Vâng. Isaac Newton đã chứng minh điều này vào năm 1666 bằng cách đặt lăng kính thứ hai lộn ngược trên đường đi của quang phổ tán sắc so với lăng kính thứ nhất. Lăng kính thứ hai uốn cong từng màu trở lại vị trí thẳng hàng, kết hợp chúng thành một chùm ánh sáng trắng. Thí nghiệm này đã chứng minh hai điều: ánh sáng trắng chứa tất cả các màu và bản thân lăng kính không thêm màu vào ánh sáng mà chỉ tiết lộ những gì đã có sẵn.

Khả năng đảo ngược này rất quan trọng trong thiết kế quang học. Các hệ thống cần tách các bước sóng để phân tích sau này có thể kết hợp lại chúng mà không làm mất thông tin, giả sử quang học lý tưởng không có quang sai.

Ứng dụng thực tế của lăng kính ngoài việc tách màu

Lăng kính không chỉ được sử dụng để tạo ra cầu vồng. Chúng phục vụ nhiều chức năng chính xác trong các dụng cụ và công nghệ quang học.

Quang phổ

Các nhà khoa học sử dụng quang phổ kế dựa trên lăng kính để phân tích ánh sáng phát ra hoặc hấp thụ bởi các chất. Mỗi phần tử tạo ra một tập hợp các vạch quang phổ duy nhất, hoạt động giống như dấu vân tay. Các nhà thiên văn học sử dụng kỹ thuật này để xác định thành phần hóa học của các ngôi sao cách xa hàng triệu năm ánh sáng mà không cần thu thập mẫu vật lý.

Ống nhòm và kính tiềm vọng

Công dụng lăng kính Roof và lăng kính Porro bên trong ống nhòm phản xạ toàn phần hơn là phân tán. Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt bên trong của kính ở một góc lớn hơn góc tới hạn, nó sẽ phản xạ hoàn toàn mà không bị tổn thất. Điều này cho phép ống nhòm gấp đường quang thành dạng nhỏ gọn trong khi vẫn duy trì độ sáng và hướng của hình ảnh.

Viễn thông và sợi quang

Ghép kênh phân chia bước sóng trong mạng cáp quang sử dụng các thành phần dựa trên phân tán có chức năng tương tự như lăng kính. Các kênh dữ liệu khác nhau được truyền trên các bước sóng ánh sáng khác nhau, sau đó được phân tách hoặc kết hợp bằng cách sử dụng các cách tử nhiễu xạ hoặc các phần tử giống như lăng kính, cho phép một sợi quang đơn lẻ mang lượng thông tin khổng lồ cùng một lúc.

Hệ thống Camera và Máy chiếu

Máy quay video cao cấp sử dụng lăng kính tách chùm tia để phân chia ánh sáng tới thành các kênh màu đỏ, xanh lục và xanh lam riêng biệt, mỗi kênh được thu bởi một cảm biến chuyên dụng. Điều này tạo ra khả năng tái tạo màu chính xác hơn so với các hệ thống cảm biến đơn dựa vào dãy bộ lọc màu.

Góc tới ảnh hưởng đến đầu ra như thế nào

Góc mà ánh sáng chiếu vào bề mặt lăng kính ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Ở góc lệch tối thiểu, ánh sáng đi qua lăng kính một cách đối xứng và độ phân tán là sạch nhất. Ở góc tới càng dốc, một số bước sóng có thể bị phản xạ toàn phần và không thoát ra khỏi lăng kính.

Đối với lăng kính vương miện bằng thủy tinh 60 độ, góc lệch tối thiểu xấp xỉ 37 đến 40 độ đối với ánh sáng nhìn thấy được. Các kỹ sư quang học tính toán điều này một cách chính xác khi thiết kế các thiết bị để đảm bảo các bước sóng mong muốn truyền qua với độ méo tối thiểu.

Nếu ánh sáng chiếu vào bề mặt ở một góc quá nông, nó có thể phản xạ ra ngoài thay vì đi vào kính, một hiện tượng được chi phối bởi các phương trình Fresnel. Lớp phủ chống phản chiếu trên chất lượng cao lăng kính quang học giảm thiểu sự mất mát bề mặt này và cải thiện hiệu suất truyền tải.

Sự khác biệt giữa lăng kính và cách tử nhiễu xạ

Cả lăng kính và cách tử nhiễu xạ đều có thể tách ánh sáng thành các bước sóng thành phần của nó, nhưng chúng thực hiện điều đó thông qua các cơ chế vật lý hoàn toàn khác nhau. Lăng kính sử dụng hiện tượng khúc xạ và sự phụ thuộc bước sóng của chiết suất. Cách tử nhiễu xạ sử dụng sự giao thoa của sóng ánh sáng tán xạ từ một bề mặt được bao phủ bởi hàng nghìn đường thẳng song song.

Đáng chú ý, thứ tự màu sắc bị đảo ngược giữa hai màu. Trong lăng kính, màu tím bị bẻ cong nhiều nhất. Trong cách tử nhiễu xạ, màu đỏ bị nhiễu xạ ở góc lớn nhất. Sự khác biệt này là hệ quả trực tiếp của vật lý cơ bản trong từng trường hợp.

Tại sao một số vật liệu phân tán ánh sáng nhiều hơn những vật liệu khác

Xu hướng phân tán ánh sáng của vật liệu được đo bằng số Abbe của nó. A số Abbe thấp có nghĩa là độ phân tán cao, nghĩa là vật liệu phân tách màu sắc mạnh mẽ. Số Abbe cao có nghĩa là độ phân tán thấp. Thủy tinh đá lửa dày đặc có số Abbe khoảng 36, trong khi thủy tinh borosilicat nằm gần 64.

Trong ống kính máy ảnh, độ phân tán cao thường không được mong muốn vì nó tạo ra quang sai màu, trong đó các màu khác nhau tập trung ở khoảng cách hơi khác nhau và tạo ra viền hoặc mờ. Các nhà thiết kế ống kính cố tình kết hợp các thành phần được làm từ kính có độ phân tán cao và thấp để loại bỏ lỗi màu sắc, một kỹ thuật gọi là hiệu chỉnh sắc nét.

Tuy nhiên, trong máy quang phổ lăng kính, độ phân tán cao chính xác là điều bạn mong muốn. Sự phân tán càng mạnh thì phổ càng trải rộng, giúp phân biệt các bước sóng có khoảng cách gần nhau dễ dàng hơn.

Bài học chính

Lăng kính tách ánh sáng trắng thành quang phổ vì thủy tinh làm chậm các bước sóng khác nhau theo lượng khác nhau, khiến mỗi màu khúc xạ ở một góc duy nhất. Hình học tam giác của lăng kính đảm bảo rằng cả khúc xạ đi vào và thoát ra đều bẻ cong ánh sáng theo cùng một hướng, khuếch đại sự phân tách. Kết quả là có thể nhìn thấy cầu vồng chạy từ màu đỏ ở đầu nông đến màu tím ở đầu dốc.

1. khúc xạ làm cho ánh sáng bị bẻ cong khi di chuyển giữa các vật liệu có mật độ quang học khác nhau.
2. phân tán làm cho các bước sóng khác nhau bị bẻ cong theo lượng khác nhau trong cùng một vật liệu.
3. Hình dạng lăng kính kết hợp sự khúc xạ ở hai bề mặt, tạo ra sự phân tách màu sắc rõ ràng.
4. Quá trình này hoàn toàn thuận nghịch, như Newton đã chứng minh bằng cách kết hợp lại quang phổ với lăng kính thứ hai.
5. Lăng kính được sử dụng trong quang phổ, hệ thống hình ảnh, ống nhòm và viễn thông, không chỉ trong các buổi trình diễn trong lớp học.